新的高稳定性燃料电池催化剂从其纳米核心获得强度

2019-04-15 09:20:32
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走走停停的驾驶可以让你的神经紧张,但它确实在宝贵的铂金上有很多可以驱动汽车燃料电池的反应。在大型燃料电池驱动车辆可以上路之前,科学家必须找到一种方法来保护铂,这是燃料电池技术中最昂贵的部件,并减少制造催化活性电极所需的量。

现在,美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的科学家已开发出一种新的电催化剂,它使用单层铂,并在模拟走走停停驾驶的测试中保持高水平的反应性,同时最大限度地降低其磨损。该研究 - 在Angewandte Chemie国际版在线描述- 可以大大提高燃料电池汽车的实用性,也可以用于改善其他金属催化剂的性能。

新设计的催化剂由钯(或钯 - 金合金)纳米颗粒核上的单层铂组成。他们的结构表征在Brookhaven的功能纳米材料中心和国家同步加速器光源进行。

“我们对这种催化剂的结构和活性的研究 - 以及与目前使用的铂 - 碳催化剂的比较 - 说明钯核”保护“颗粒周围的精细铂层,使其能够保持很高的反应性。更长的时间,“负责研究团队的Brookhaven Lab化学家Radoslav Adzic解释道。

在传统的燃料电池催化剂中,氧化和还原循环 - 由停止和驱动期间发生的电压变化触发 - 会损坏铂。随着时间的推移,铂溶解,对燃料电池造成不可逆转的损害。

在新催化剂中,来自核的钯在这些氧化和还原反应中比铂更具反应性。模拟燃料电池电压循环的稳定性测试表明,在100,000次潜在循环之后,大量的钯被氧化,溶解并从阴极迁移出去。在阴极和阳极之间的膜中,溶解的钯离子通过氢从阳极扩散而形成“带”或点而被还原。

相比之下,除了铂单层的小收缩外,铂几乎不受影响。“铂晶格的这种收缩使催化剂更活跃,颗粒的稳定性增加,”Adzic说。

铂单层/钯核催化剂的反应性也仍然非常高。在100,000次循环后,它仅减少了37%。

在早期的工作基础上,科学家们还研究了一种含有钯 - 金合金核的铂单层催化剂,该工作说明了少量的金可以提高催化活性。添加金进一步提高了电催化剂的稳定性,在200,000次测试循环后保留了近70%的反应性。

“这表明这种电催化剂具有优异的耐久性,特别是与较简单的铂 - 碳催化剂相比,后者在更短的循环时间后失去了近70%的反应活性。这种活性和稳定性表明这是一种实用的催化剂。它超过了美国能源部为2010-2015设定的目标,它可以用于汽车应用,“Adzic说。

他指出,使用新催化剂制造的燃料电池每辆汽车只需要大约10克铂 - 而且钯少于20克。目前,在用于处理废气的催化转化器中,使用5至10克铂。由于燃料电池驱动的汽车不会排放废气,因此不需要这种催化转化器,因此不会增加铂的使用量。

“除了开发用于汽车燃料电池应用的电催化剂外,这些发现表明铂单层催化剂的广泛适用性以及将这一概念扩展到基于其他贵金属的催化剂的可能性,”Adzic说。

导致新电催化剂开发和早期扩大规模工作的基础科学由美国能源部科学办公室资助。额外资金来自丰田汽车公司。

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